Цели и средства автоматизации процессов проектирования

Одной из основных целей создания САПР является сокращение трудоемкости проектирования. Трудоемкость измеряется чистым временем в человеко-часах, затрачиваемым на разработку и корректировку технической документации. Тем самым экономится живой труд проектировщиков, конструкторов, технологов.

Операции процесса проектирования можно разбить на два класса: рутинные (нетворческие) и творческие. К числу рутинных относятся расчеты по известным методикам, оформление технической документации, а также поиск информации, необходимой для выполнения процесса проектирования. Рутинные операции занимают не менее 70-75% от общей трудоемкости проектирования. Поэтому САПР должны обеспечить снижение трудоемкости именно этих операций за счет использования наиболее характерных свойств информационно-вычислительных систем: хранения и быстрой обработки больших массивов данных, а также быстродействующих устройств вывода текстовой и графической информации.

Автоматизация оформления документации выполняется за счет разработки чертежей и текстовых документов на ЭВМ. Например, при разработке графической документации возможна полуавтоматическая простановка размеров, штриховки, нанесения условных обозначений, построение рамки и штампа. Наличие на чертеже повторяющихся фрагментов также значительно сокращает время разработки. Наибольший эффект достигается в том случае, когда чертеж, созданный с помощью графического редактора, в дальнейшем неоднократно модифицируется, причем каждая модификация затрагивает небольшую часть чертежа, а выпускать новый чертеж приходится целиком.

Информационная поддержка и автоматизация принятия решений основана на использовании методов искусственного интеллекта, использующих в своей работе базы знаний.

Длительность цикла измеряется календарным временем от получения задания до его завершения с учетом всех ожиданий по организационно-техническим причинам. Сокращение длительности цикла “проектирование - изготовление” обеспечивается посредством средств совмещенного проектирования (concurrent engineering) и виртуальных бюро.

Совмещенное проектирование обеспечивает возможность максимального запараллеливания процессов проектирования. Каждый специалист приступает к работе над проектом, как только появляются необходимые ему исходные данные.

Виртуальное бюро (ВБ) — организационно-техническая структура, обеспечивающая совместную работу бригады специалистов, разделенных в пространстве и времени. ВБ может быть распределено в нескольких местах, которые могут находиться в различных странах и включать участников из разных временных поясов. Специалисты объединяются в ВБ с целью создания новых изделий. Члены ВБ должны быть оснащены новейшими инструментальными программными средствами, системами виртуальной реальности, средствами для проведения видеоконференций и основанной на средствах Internet Web-технологией, объектно-ориентированными средствами поиска и логического вывода.

Широкое распространение и многократное увеличение производительности персональных компьютеров позволили достичь сокращения себестоимости проектирования.

Улучшение качества проектирования достигается посредством использования вариантного проектирования и оптимизации, унификации проектных решений, стратегического проектирования.

Вариантное проектирование производится за счет использования концептуальных И/ИЛИ графов. Современные методы оптимизации позволяют находить наилучшее решение на базе входных параметров проектируемого изделия.

Унификация проектных решений производится за счет адаптированных к условиям каждого предприятия баз данных и знаний.

Стратегическое проектирование ¾ это метод создания и ведения долгосрочных проектных программ, начинающихся с разработки базового изделия, которое затем подвергается постепенным модификациям и усовершенствованиям с целью удовлетворения текущих и учета будущих требований пользователей в течение длительного периода времени (обычно десяти лет). Стратегическое проектирование заключается в постоянном отборе и оценке концепций, прежде всего определяющих архитектуру и технологии изготовления с целью поиска решений, обеспечивающих наилучшее удовлетворение кратко- и долгосрочных требований потребителей. Основная цель – обойти коммерческие и технологические тупики в процессе быстрых изменений условий и технологий на рынке.

Под затратами на натурное моделирование понимаются затраты на проектирование и изготовление макетных образцов изделий и их узлов. Сокращение затрат на натурное моделирование может быть достигнуто за счет замены его на математическое моделирование.

История развития САПР

Историю развития САПР в машиностроении принято делить на несколько этапов [27]. Термин «САПР для машиностроения» в России обычно используют в тех случаях, когда речь идет о пакетах программ, которые в англоязычной терминологии называются CAD/CAM/CAE.

Первый этап (50-70-е годы XX века) характеризуется автоматизацией вычислений и развитием основ геометрического моделирования. В 1946 г. И. Шоенбергом была представлена теория B-сплайнов, позднее приведшая к широкому использованию в геометрическом моделировании неравномерных рациональных B-сплайнов (NURBS), предложенных К. Весприллом (1975 г.). Моделированию кривых и поверхностей сложной формы были посвящены работы П. Безье (P.E.Bezier), выполненные на рубеже 60-70-х годов прошлого века. В начале 60-х появляются системы с выводом информации на электронно-лучевую трубку. В 1960-е годы началось широкое внедрение систем автоматизации программирования обработки на станках с ЧПУ, в которых использовались языки описания геометрии деталей. Однако, геометрические задачи в подобных системах решались в пакетном режиме. В 1961 г. был создан язык программирования APT (Automatic Programming Tools). Впоследствии этот язык стал основой многих других языков программирования применительно к оборудованию с числовым программным управлением. Разработанный к 1950 г. метод конечных элементов послужил толчком к развитию систем инженерного анализа CAE. В 1963 г. был предложен способ применения метода конечных элементов для анализа прочности конструкции путем минимизации потенциальной энергии.

На втором этапе (80-е годы) стали активно развиваться системы компьютерной графики. Появились интерактивные конструкторские САПР. К 1982 г. твердотельное моделирование начинают применять в своих продуктах компании Computervision, IBM, Prime. Однако, методы получения моделей тел сложной формы еще не развиты, отсутствует поверхностное моделирование. В том же году появляется первая версия программы CATIA с возможностями 3D-моделирования и разработки программ для ЧПУ. Джоном Уокером создается компания Autodesk. В следующем году разработана техника создания 3D-моделей с показом или удалением скрытых линий. На рынок вышла система Unigraphics, а компания Autodesk выпускает свой первый продукт Autocad. В 1988 г. компания PTC впервые реализует параметризацию моделей. К концу 80-х годов стоимость CAD-лицензии существенно снизилась. Таким образом, были созданы предпосылки для создания CAD/CAM/CAE-систем более широкого применения. В этот период большое внимание уделяется вопросам стандартизации графических программ.

На третьем этапе (90-е годы) развитие вычислительной техники привело к возможности использования рабочих станций на распространенных персональных ЭВМ, что заметно снизило стоимость внедрения САПР на предприятиях. На этом этапе продолжается совершенствование систем и расширение их функциональности.

Четвертый этап (начиная с конца 90-х годов) характеризуется интеграцией CAD/CAM/CAE-систем с системами управления проектными данными PDM и с другими средствами информационной поддержки изделий.